JP5258416B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、行列状に配置された複数の画素部と、前記複数の画素部の列に対応する複数の前記増幅トランジスタに接続された垂直信号線とを備える固体撮像装置に関する。

近年、ビデオカメラや電子スティルカメラ等への応用に適した固体撮像装置として、ＭＯＳ型の固体イメージセンサの開発が各所で活発に進められている。これは、セル毎に光電変換手段で得られた信号をＭＯＳトランジスタで増幅して取り出す構造を有した固体撮像装置である。

図８は、ＭＯＳトランジスタで構成された従来の固体撮像装置に含まれる単位画素とその周辺の回路を示す回路図である。

ＭＯＳ型イメージセンサを構成する単位画素１０３は、フォトダイオード（ＰＤ）１３２、転送トランジスタ１３４、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８、リセットトランジスタ１３６及び増幅トランジスタ１４２を備える。

フォトダイオード（ＰＤ）１３２は、入射した光を光電変換し、電荷を発生する。

続いて、転送トランジスタ１３４がオンされると、フォトダイオード（ＰＤ）１３２で発生した電荷は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８に転送される。

単位画素１０３から垂直信号線１５３を介して外部への読み出し動作について説明する。まず、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８を高い電位にリセットした後、フォトダイオード（ＰＤ）１３２で検出された光電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８に転送される。電荷量に応じてフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位は変化する。次に、増幅トランジスタ１４２は、このフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位変化を画素信号として垂直信号線１５３に出力する。

以下、従来の固体撮像装置のタイミングチャートとポテンシャル図とを参照しながら、従来の固体撮像装置の回路の動作について簡単に説明する。

図９Ａ及び図９Ｂは、従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、ドレイン配線１５７に印加されるドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ、リセット配線１５６に印加されるリセット信号ＲＳＴ、転送ゲート配線１５５に印加される転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８及び垂直信号線１５３のタイミングが示されている。

このうち、図９Ａは、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がない場合の従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。一方、図９Ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がある場合の従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

図９Ａ及び図９Ｂにおいて、まずドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ（ハイレベル）をドレイン配線１５７に印加して、ドレイン配線１５７がＶＤＤ電位（ハイレベル）の状態とする。次に、リセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセット配線１５６に印加して立ち上げると（ｔ１）、リセットトランジスタ１３６がオン状態になり、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８はハイレベルとなる（ｔ１〜ｔ２、ＦＤリセット電位１）。

この後、リセット信号ＲＳＴを立ち下げる（ｔ２）。
このフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電圧（ＦＤリセット電位１）から増幅トランジスタ１４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった垂直信号線１５３の電圧（リセットレベル）を、垂直信号線１５３に接続されている次段回路で取り込む。

この後、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ（ハイレベル）を転送ゲート配線１５５に印加する（ｔ３〜ｔ４）。このときフォトダイオード（ＰＤ）１３２に光の入射が無く、信号電荷（光電子）が蓄積されていない場合は、転送トランジスタ１３４がオンしてもフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位はＦＤリセット電位１のままで変化しない（図９Ａのｔ３〜ｔ５）。

一方、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に光の入射があり、信号電荷（光電子）が蓄積されていた場合は、フォトダイオード（ＰＤ）１３２からフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８に信号電荷（光電子）が転送され、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位が信号電荷（光電子）に応じて下がる。このフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位から増幅トランジスタ１４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった垂直信号線１５３の電圧も連動して下がる（図９Ｂのｔ３〜ｔ５）。この垂直信号線１５３の電位（信号レベル）を再び次段回路で取り込む。

次に、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬをローレベルにして、リセット信号ＲＳＴをリセットトランジスタ１３６に印加すると（ｔ５〜ｔ６）、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８はローレベルに復帰する（ｔ５以降）。次段回路は、リセットレベルと信号レベルの差を取って画素信号として出力する。

次に、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に光の入射があり、信号電荷（光電子）が蓄積されていた場合の、フォトダイオード（ＰＤ）１３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８のポテンシャルについて説明する。

図１０は、従来の固体撮像装置のフォトダイオード（ＰＤ）１３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８のポテンシャルを示す図である。横方向はフォトダイオード（ＰＤ）１３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の位置を示し、縦方向は電位（下が高い）を示す。

フォトダイオード（ＰＤ）１３２は光の入射があると、信号電荷（光電子）を発生する（図１０（ａ））。

次に、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ（ハイレベル）が転送ゲート配線１５５に印加されると、フォトダイオード（ＰＤ）１３２で発生した信号電荷（光電子）がフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８に転送される（図１０（ｂ））。このとき、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位は、転送された信号電荷に応じて下がる。

次に、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳが再びローレベルとなると、フォトダイオード（ＰＤ）１３２とフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８との間は遮断される（図１０（ｃ））。

近年、半導体で形成される固体撮像装置の微細化が進んでいる。
このため、微細化による素子耐圧の低下で電源電圧も下がるので、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８で受けられる信号電荷（光電子）すなわちＦＤ容量が少なくなる。フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の飽和電子数が小さくなって高輝度が検出できなくなりダイナミックレンジが低下すると共に、フォトダイオード（ＰＤ）１３２で発生した信号電荷（光電子）がフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８に転送されにくくなり、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に残像電子が生じる。

特許文献１では、ＦＤ容量を増やして残像電子の発生を防止する固体撮像装置が記述されている。

特許文献１記載の固体撮像装置は、図８に示す垂直信号線１５３とフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８との間に生じる寄生容量Ｃ１０２のカップリングを利用して、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８のリセット電位（ＦＤリセット電位）を電源電圧ＶＤＤよりも高くする事でＦＤ容量を増やしている（以下、Ｃ１０２のカップリング効果、と記載）。次に、特許文献１記載の固体撮像装置のタイミングチャートを図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。

図１１Ａは、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がない場合の、特許文献１記載の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

図１１Ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がある場合の、特許文献１記載の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

特許文献１記載の固体撮像装置は、従来例１と比較して、リセット信号ＲＳＴのハイレベル期間（ｔ１〜ｔ２ｂ）を垂直信号線の立ち上がり期間（ｔ１〜ｔ２）よりも短くする事を特徴としている。

これによって、図１１Ａ及び図１１Ｂのｔ２ｂ〜ｔ２期間の垂直信号線１５３の立ち上がりが、図８の垂直信号線１５３とフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８間に存在する寄生容量Ｃ１０２を伝播してフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位を上げる事で、従来例１（図９ＢのＦＤリセット電位１）よりも、図１１ＢのＦＤリセット電位２の方が電位は高くなる。したがって、特許文献１記載の固体撮像装置は、より多くの信号電荷（光電子）をフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に溜め、残像の防止を図っている。
特開２００５−８６５９５号公報

しかし、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すｔ１〜ｔ２ｂのリセット信号ＲＳＴハイレベル期間中は、図８のリセットトランジスタ１３６がオンとなりフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８の電位はＦＤリセット電位１に固定されるため、Ｃ１０２のカップリング効果は得られない。実際にＣ１０２のカップリング効果が得られる期間は、リセット信号ＲＳＴがローレベルとなり、リセットトランジスタ１３６がオフすることによりフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８がフローティング状態となっている期間、かつ、増幅トランジスタの出力により垂直信号線５３の電位が上昇している期間である。したがって、Ｃ１０２のカップリング効果が得られる期間は、図１１Ａ及び図１１Ｂのｔ２ｂ〜ｔ２のみである。

Ｃ１０２のカップリング効果が得られる期間が短いことで、ＦＤリセット電位の上昇によるＦＤ容量の増加が制限され、残像電子が生じる場合がある。

そこで、本発明は、前記の課題を鑑みてなされたものであり、固体撮像素子の微細化や電源電圧の低下、さらにはカップリング効果が得られる期間の制約を受ける事なく、ＦＤリセット電位を高くしてＦＤ容量を増やす事で、より高輝度まで検出可能で広ダイナミックレンジを有し、かつ残像の少ない撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、入射した光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、転送された前記電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを含む行列状に配置された複数の画素部と、前記複数の画素部の列に対応する複数の前記増幅トランジスタに接続された垂直信号線とを備える固体撮像装置であって、前記リセットトランジスタによるリセット後でかつ前記転送トランジスタによる転送前に、前記垂直信号線の電圧を所定の電圧に上げる電圧制御回路を備える。

この構成によれば、リセット後でかつ転送前に、垂直信号線の電圧を所定の電圧に上げるので、電荷の転送前に、垂直信号線とフローティングディフュージョンとの間に生じる寄生容量による容量結合を介してフローティングディフュージョンの電位をリセット後の電位より上げることができる。したがって、ＦＤ容量が増加し、より高輝度まで検出可能で広ダイナミックレンジを有し、かつ残像の発生を防止できる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記垂直信号線に接続された各増幅トランジスタの負荷となる負荷トランジスタを備え、前記負荷トランジスタは、前記転送期間中、前記垂直信号線から電気的に切り離されてもよい。

この構成によれば、転送期間中、垂直信号線の電圧を所定の電圧に上げる際の負荷トランジスタの影響を除去するので、垂直信号線の電圧をより高い電圧に確実に上げることができる。

また、前記電圧制御回路は、ソースが電源電圧以上の電圧を有するバイアス配線に接続され、ドレインが前記垂直信号線に接続されている電圧制御トランジスタを含み、前記電圧制御トランジスタは、ゲートに印加される制御信号に従って、前記リセット後でかつ前記転送前に前記垂直信号線に所定の電圧を供給してもよい。

この構成によれば、前記電圧制御回路が垂直信号線毎の電圧制御トランジスタにより構成される。したがって、少ない回路規模で電圧制御回路を実現することができる。

また、前記電圧制御トランジスタは、前記転送期間の直前にオンし、前記転送期間の直後にオフしてもよい。

この構成によれば、従来技術のようにタイミングの制約を受けることがないので、垂直信号線の電圧を十分に上げることができる。

また、前記負荷トランジスタを電気的に切り離した後でかつ前記転送期間の直前に、前記電圧制御トランジスタはオンし、前記転送期間の直後に、前記電圧制御トランジスタをオフした後に前記負荷トランジスタを電気的に接続してもよい。

この構成によれば、電圧制御トランジスタは、垂直信号線をフローティング状態にした後にオンになるので、負荷トランジスタの影響を受けることなく垂直信号線の電圧を上げることを高速化することができる。

また、前記固体撮像装置は、前記フローティングディフュージョンに対して複数個の前記フォトダイオードを備えしてもよい。

この構成によれば、微細化が進んでフォトダイオード１つあたりの飽和電子数が少なくなっても、フォトダイオードを複数個組み合わせることで、単位画素あたりの飽和電子数を増やすことができる。したがって、高輝度の光を検出でき、ダイナミックレンジが向上する。

また、前記垂直信号線は前記フローティングディフュージョンの上層に配置されてもよい。

この構成によれば、フローティングディフュージョンと垂直信号線との間に生じる寄生容量を大きくするので、容量結合によるフローティングディフュージョンの電位を上げる効果を向上させることができる。

以上より、本発明は、固体撮像素子の微細化や電源電圧の低下、さらには垂直信号線とフローティングディフュージョンとの間のカップリング効果が得られる期間の制約を受ける事なく、フローティングディフュージョン（ＦＤ）のリセット電位を高くしてフローティングディフュージョン（ＦＤ）の容量を増やし、フローティングディフュージョン（ＦＤ）で受けられる飽和電子数を増やす事で、より高輝度まで検出可能で広ダイナミックレンジ、かつ残像の少ない撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。

同図の固体撮像装置は、複数の単位画素３と、前記複数の単位画素３の列に対応する複数の増幅トランジスタに接続された垂直信号線５３と、タイミング発生回路２、垂直シフトレジスタ４、マルチプレクサ回路５、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路６、水平シフトレジスタ７、水平信号線８、出力アンプ９及び電圧制御回路１０を備える。

垂直信号線５３は、同じ列の単位画素３に接続され、単位画素３から出力される信号をＣＤＳ回路６に出力する。ここでは、第ｎ列の画素に接続された垂直信号線をＶ（ｎ）、第ｎ＋１列の画素に接続された垂直信号線をＶ（ｎ＋１）としている。

タイミング発生回路２は、ドレイン配線５７、負荷ゲート配線５９、ＣＤＳ回路６、水平シフトレジスタ７、垂直シフトレジスタ４及びマルチプレクサ回路５に接続される。タイミング発生回路２は、後述するタイミングで各処理部へ信号を出力する。

垂直シフトレジスタ４は、タイミング発生回路２から出力された信号に基づいて、マルチプレクサ回路５へ、複数の単位画素３を行毎に選択する信号を出力する。

マルチプレクサ回路５は、垂直シフトレジスタ４から出力された信号と、タイミング発生回路２から出力された信号に基づいて、単位画素３を行毎に制御する。これにより、マルチプレクサ回路５は、後述する転送トランジスタとリセットトランジスタとの制御を切り替えて行毎に制御する。

ＣＤＳ回路６は、垂直信号線５３とタイミング発生回路２とに接続され、タイミング発生回路２が出力する信号に従い、垂直信号線５３から出力された信号ノイズの除去及び保持をする。

水平シフトレジスタ７は、ＣＤＳ回路６とタイミング発生回路２とに接続され、タイミング発生回路２が出力する信号に従って駆動される。これにより、ＣＤＳ回路６に保持されている単位画素３毎の信号が、水平信号線８を経由して、出力アンプ９から出力される。

電圧制御回路１０は、タイミング発生回路２と垂直信号線５３とに接続され、タイミング発生回路２が出力する信号に従って駆動される。これにより、リセットトランジスタによるリセット後でかつ前記転送トランジスタによる転送前に、垂直信号線５３の電圧を所定の電圧に上げる機能を有する。

各単位画素３は、入射した光に応じた電圧を出力する。単位画素３の詳細な説明は後述する。

なお、図１では簡単のため２行２列の画素アレイとしているが、このサイズに限定したものではない。

次に、本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の単位画素３と周辺回路との構成を説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態における、単位画素３と周辺回路との構成を示す回路図である。

図２では、１本の垂直信号線に対応する電圧制御回路１０と、複数の単位画素のうちの１つの単位画素３と、負荷トランジスタ５８とを図示する。

電圧制御回路１０は、ドレイン配線５７及び垂直信号線５３の電圧を制御する回路である。電圧制御回路１０は、それぞれの単位画素列の垂直信号線に対して、１つのＦＤアップトランジスタ６０を備える。例えば、ＦＤアップトランジスタ６０は、Ｐ型のＭＯＳトランジスタである。なお、ＦＤアップトランジスタ６０は、電圧制御トランジスタとして機能する。

ＦＤアップトランジスタ６０は、ソースがドレイン配線５７に接続され、ドレインが垂直信号線５３に接続されている。ゲートは、ＦＤアップ配線６１を介してタイミング発生回路２に接続され、タイミング発生回路２からの信号によってＦＤアップトランジスタ６０はオン又はオフされる。ここで、ＦＤアップトランジスタ６０がＰ型のＭＯＳトランジスタの場合、ＦＤアップ配線６１がローレベルの場合にオンとなり、ハイレベルの場合にオフとなる。

単位画素３は、入射した光を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）３２と、フォトダイオード（ＰＤ）３２で生成された電荷を転送する転送トランジスタ３４と、転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位をリセットするリセットトランジスタ３６と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に蓄積された電荷を電圧に変換する増幅トランジスタ４２とを備える。

入射された光に対応する信号電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）３２は、アノード側が接地され、カソード側は転送トランジスタ３４のソースに接続されている。また、転送トランジスタ３４のドレインは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に接続されている。また、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８は、これをリセットするための前記リセットトランジスタ３６のドレインと、電荷を出力するための増幅トランジスタ４２のゲートに接続されている。また、リセットトランジスタ３６のソースと増幅トランジスタ４２のソースはドレイン配線５７に接続されている。

また、増幅トランジスタ４２のドレインは画素線５１を通じて縦方向に延長して配置される垂直信号線５３に接続される。

さらに、転送トランジスタ３４のゲートは横方向に延長して配置される転送ゲート配線５５に接続され、リセットトランジスタ３６のゲートは横方向に延長して配置されるリセット配線５６に接続される。

さらに、垂直信号線５３は列毎に配置される負荷トランジスタ５８のドレインに接続される。負荷トランジスタ５８のソースは接地され、ゲートは横方向に延長して配置される負荷ゲート配線５９に接続されており、信号読み出し時には、予め決められた定電流を流し続けるようになっている。

上述したように、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に蓄積し得る電荷量を多くする為に垂直信号線５３の電位を上げる手段として、ドレインが垂直信号線５３に接続され、ソースが前記ドレイン配線５７に接続され、ゲートがＦＤアップ配線６１を通じてタイミング発生回路２に接続されたＦＤアップトランジスタ６０を備える電圧制御回路１０を備える。

次に、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置における動作を説明する。

図３Ａは、フォトダイオード（ＰＤ）３２に電荷がない場合の、第１の実施の形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

図３Ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）３２に電荷がある場合の、第１の実施の形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

ここでは、タイミング発生回路２からドレイン配線５７に印加されるドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ、マルチプレクサ回路５からリセット配線５６に印加されるリセット信号ＲＳＴ、マルチプレクサ回路５から転送トランジスタ３４に印加される転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ、タイミング発生回路２から負荷トランジスタ５８に印加される負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ、電圧制御回路１０からＦＤアップ配線に印加されるＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８及び垂直信号線５３のタイミングが示されている。

本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置は、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ、リセット信号ＲＳＴ、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰを制御すると、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位が変化し、それに応じて垂直信号線５３の電圧も変化する。

以下、第１の実施の形態のタイミングチャートである図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、第１の実施の形態の固体撮像装置の動作について簡単に説明する。

図３Ａおよび図３Ｂにおいて、まずドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ（ハイレベル）をドレイン配線５７に印加してドレイン配線５７がＶＤＤ電位（ハイレベル）の状態にする。また、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ（ハイレベル）を負荷ゲート配線５９に印加して負荷ゲート配線５９がハイレベルの状態にする。ここで、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬのハイレベルは、ＶＤＤ電位ではなく、負荷として機能させるための、ＶＤＤ電位とＧＮＤとの間の電位である。また、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰ（ハイレベル）をＦＤアップ配線６１に印加する。

次に、ＦＤアップ配線６１がＶＤＤ電位（ハイレベル）の状態でリセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ３６に印加してリセット配線５６を立ち上げると（ｔ１）、リセットトランジスタ３６がオン状態になり、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８はＶＤＤ電位（ハイレベル）になる（ｔ１〜ｔ２）。

この後、リセット信号ＲＳＴを立ち下げる（ｔ２）。この後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち下げる（ｔ３ｃ）ことで負荷トランジスタ５８がオフ状態になり、垂直信号線５３はフローティング状態になる。

この後、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰを立ち下げると（ｔ３ｂ）、ＦＤアップトランジスタ６０はＰ型のＭＯＳトランジスタのためオン状態になり、垂直信号線５３はドレイン配線５７と同じＶＤＤ電位に吊り上げられる。ここで、この垂直信号線５３の立ち上がりと寄生容量Ｃ２のカップリング効果によって、ＦＤ３８のリセット電位（ＦＤリセット電位）をＶＤＤ電位よりも高くする事でＦＤ容量を増やす（図３Ａのｔ３ｂ〜ｔ３）（以下、Ｃ２のカップリング効果と記載）。

この後、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ（ハイレベル）を転送ゲートトランジスタ３４に印加すると（ｔ３〜ｔ４）、フォトダイオード（ＰＤ）３２に光の入射が無く、信号電荷（光電子）が蓄積されていない場合は、転送トランジスタ３４がオンしてもフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８はＦＤリセット電位３のままで変化しない（図３Ａのｔ３〜ｔ４ｃ）。

逆に、フォトダイオード（ＰＤ）３２に光の入射があり、信号電荷（光電子）が蓄積されていた場合は、フォトダイオード（ＰＤ）３２からフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に信号電荷（光電子）が転送され、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位が信号電荷（光電子）に応じて下がる。この時、本発明によるフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のリセット電位であるＦＤリセット電位３は、従来例（図９ＢのＦＤリセット電位１）や特許文献１（図１１ＢのＦＤリセット電位２）よりも高いため、転送時（図３Ｂのｔ３〜ｔ４）にＰＤ３２の信号電荷（光電子）がフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に移動しやすくなる。これによりフォトダイオード（ＰＤ）３２に残像電子が残ってしまうという課題が解決できる。

この後、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰを立ち上げて（図３Ｂのｔ４ｂ）、ＦＤアップトランジスタ６０をオフ状態にして、垂直信号線５３をフローティング状態にする（ｔ４ｂ〜ｔ４ｃ）。

この後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち上げると（ｔ４ｃ）、垂直信号線５３の電位はフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位から増幅トランジスタ４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった電位までフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位に連動して下がる（ｔ４ｃ〜ｔ５）。

この垂直信号線５３の電位（信号レベル）を再び次段回路で取り込む。

次に、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬをローレベルにして、リセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ３６に印加すると（ｔ５〜ｔ６）、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８はローレベルに復帰する（ｔ５以降）。次段回路は、リセットレベルと信号レベルの差を取って画素信号として出力する。

次に、第１の実施の形態における固体撮像装置のフォトダイオード（ＰＤ）３２に、光の入射があり、信号電荷（光電子）が蓄積されていた場合の、フォトダイオード（ＰＤ）３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のポテンシャルについて説明する。

図４は、フォトダイオード（ＰＤ）３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のポテンシャルを示す図である。横方向はフォトダイオード（ＰＤ）３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の位置を示し、縦方向は電位（下が高い）を示す。

フォトダイオード（ＰＤ）３２は光の入射があると、信号電荷（光電子）を発生する。

次に、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰがＶＤＤ電位（ハイレベル）の状態でリセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ３６に印加してリセット配線５６を立ち上げると（ｔ１）、リセットトランジスタ３６がオン状態になり、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８はＶＤＤ電位（ハイ）になる（図４（ａ））。

次に、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち下げることで、垂直信号線５３はフローティング状態となる。

この後、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰを立ち下げて、ＦＤアップトランジスタ６０をオンとすることで、垂直信号線５３はＶＤＤ電位に吊り上げられる。このとき、垂直信号線５３の立ち上がりと寄生容量Ｃ２のカップリング効果によってフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位はＶＤＤ電位よりも高いＦＤリセット電位３となる（図４（ｂ））。

次に、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ（ハイレベル）が転送トランジスタ３４に印加されると、フォトダイオード（ＰＤ）３２で発生した信号電荷（光電子）がフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に転送される（図４（ｃ））。このとき、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位とフォトダイオード（ＰＤ）３２との電位差が従来の固体撮像装置と比較して大きくなるため、フォトダイオード（ＰＤ）３２に電子は残らず、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に転送される。

次に、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳが再びローレベルとなると、フォトダイオード（ＰＤ）３２とフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８との間は遮断される（図４（ｄ））。

この後、ＦＤアップトランジスタ駆動パルスＦＤＵＰを立ち上げて、ＦＤアップトランジスタ６０をオフ状態にする。つぎに、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち上げると（ｔ４ｃ）、垂直信号線５３の電位はフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位から増幅トランジスタ４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった電位までフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位に連動して下がる（図４（ｅ））。

以上のように、図３Ａ、図３Ｂ及び図４から本発明は、電圧制御回路１０が垂直信号線５３の電位を上げる機能と駆動方法を備えることで、フォトダイオード（ＰＤ）３２の電荷を転送する期間は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のリセット電位を上げてＦＤ容量を増やす効果が得られる。

言い換えれば、本発明は垂直信号線５３の電位をＦＤアップトランジスタ６０で強制的にＶＤＤ電位まで上げるため、Ｃ２のカップリング効果によるＦＤ電位の上昇は特許文献１よりも大きく、図１１ＢのＦＤリセット電位２よりも図３ＢのＦＤリセット電位３の方を高くすることができる。

この理由により、ＦＤ容量が少ないためにフォトダイオード（ＰＤ）３２に電荷が残ることで残像が生じるという第１の課題を解決でき、その効果は特許文献１よりも優れている。

さらに、本発明は特許文献１とは異なり、リセット信号ＲＳＴがローレベルでリセットトランジスタ３６がオフ状態、すなわちフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８がフローティング状態で（図３Ｂ（ｔ２〜ｔ３ｂ））、垂直信号線５３の電位をＦＤアップトランジスタ６０で強制的にＶＤＤ電位まで上げてＣ２のカップリング効果を得る。これにより、Ｃ２のカップリング効果を得られる期間が制限されるために、Ｃ２のカップリング効果が十分に得られずフローティングディフュージョン（ＦＤ）が十分に上昇しないという第２の課題を解決できる。

（第１の実施の形態の変形例１）
次に、本発明の第１の実施の形態の変形例１について述べる。

本変形例の固体撮像装置は、ＦＤアップトランジスタ６０のゲートが、ドレイン配線５７の電圧よりも高い電圧を有するバイアス配線に接続されている。

以下、本発明の第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図５は、本変形例の単位画素と周辺回路との構成を示す回路図である。
本変形例は、前記垂直信号線５３の電位を上げる手段として、ＦＤアップトランジスタのソースがドレイン配線５７の電圧よりも高い電圧を有するバイアス配線６２に接続されている。例えば、バイアス配線６２は、ドレイン配線５７の電圧がチャージポンプ回路で昇圧されたバイアス電圧を有する。

これにより、本変形例の固体撮像装置は、垂直信号線５３の立ち上がり振幅をさらに大きくできるため、第１の実施の形態よりもＣ２のカップリング効果が大きく、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位もＣ２のカップリング効果の大きさに比例して高くできる。

（第１の実施の形態の変形例２）
次に、本発明の第１の実施の形態の変形例２について述べる。

本変形例の固体撮像装置は、１つのフォトダイオードと１つの転送トランジスタとを備える単位画素を複数個有するセルを備える。以下、本発明の第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図６は、本変形例のセルと周辺回路との構成を示す図である。本変形例の固体撮像装置は、フォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄと転送トランジスタ３４ａ〜３４ｄとのうちそれぞれ１つずつで構成された単位画素を４つ備えたセル７０を備える。

セル７０は、第１の実施の形態のフォトダイオード（ＰＤ）３２に替わり、複数のフォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄを備え、また、第１の実施の形態の転送トランジスタ３４に替わり、複数の転送トランジスタ３４ａ〜３４ｄを備える。

フォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄは、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成し、片方がＧＮＤに、もう一方が転送トランジスタ３４ａ〜３４ｄのドレインに接続される。

転送トランジスタ３４ａ〜３４ｄは、それぞれ１つのフォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄに接続され、ドレインがフォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄのＧＮＤとは反対側の端子に接続され、ゲートが転送ゲート配線５５に接続され、ソースがフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８に接続される。

これにより、本変形例の固体撮像装置は、微細化が進んで一つあたりのフォトダイオード（ＰＤ）の信号電荷（光電子）が少なくなっても、複数のフォトダイオード（ＰＤ）と転送トランジスタを組み合わせることで、飽和電子数を増やし、より高輝度まで検出可能で広ダイナミックレンジな撮像装置を実現できる効果がある。

なお、転送トランジスタ３４ａ〜３４ｄは、それぞれ別の転送ゲート配線に接続されてもよい。また、図６では簡単のため４画素１セルとしているが、この画素数に限定したものではない。

次に、本変形例における多画素１セルのレイアウト配置を説明する。

図７は、本変形例のレイアウト配置のイメージを示す図である。

多画素１セルをレイアウト配置しようとすると、図７に示すように拡散層にあるフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８はフォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）３２ａ〜３２ｄの数に比例して面積が増える。そこで、本変形例は、配線層である垂直信号線５３を前記フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のレイアウト上に重なる様に配置する事を特徴とする。なお、図７では説明の為、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８が縦長に４画素配置された一例を示すが、縦長以外の形状でも構わないし、この画素数に限定したものではない。

したがって、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のレイアウト上に垂直信号線５３を重ねることで、双方の寄生容量Ｃ２を大きくでき、垂直信号線５３の電位上昇によるカップリング効果でフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８の電位上昇をより強くする効果が得られる。

以上、本発明の実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、ビデオカメラ、デジタルカメラ及びカメラ付き携帯電話等を代表とする画像入力装置などに用いられる固体撮像装置として利用することができる。

本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における、単位画素３と周辺回路との構成を示す回路図である。 フォトダイオード（ＰＤ）３２に電荷がない場合の、第１の実施の形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 フォトダイオード（ＰＤ）３２に電荷がある場合の、第１の実施の形態における固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 フォトダイオード（ＰＤ）３２及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）３８のポテンシャルを示す図である。 本変形例の単位画素と周辺回路との構成を示す回路図である。 本変形例のセルと周辺回路との構成を示す図である。 本変形例のレイアウト配置のイメージを示す図である。 ＭＯＳトランジスタで構成された従来の固体撮像装置に含まれる単位画素とその周辺の回路を示す回路図である。 フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がない場合の従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がある場合の従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置のフォトダイオード（ＰＤ）１３２及びフローティングディフュージョンＦＤ１３８のポテンシャルを示す図である。 フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がない場合の、特許文献１記載の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 フォトダイオード（ＰＤ）１３２に電荷がある場合の、特許文献１記載の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ｃ２、Ｃ１０２ 寄生容量
ＴＲＡＮＳ 転送ゲートパルス
ＲＳＴ リセット信号
ＶＤＤＣＥＬＬ ドレイン駆動パルス
ＬＯＡＤＣＥＬＬ 負荷トランジスタ駆動パルス
ＦＤＵＰ ＦＤアップトランジスタ駆動パルス
２ タイミング発生回路
３ 単位画素
４ 垂直シフトレジスタ
５ マルチプレクサ回路
６ ＣＤＳ回路
７ 水平シフトレジスタ
８ 水平信号線
９ 出力アンプ
１０ 電圧制御回路
３２、１３２ フォトダイオード（ＰＤ）
３２ａ〜３２ｄ フォトダイオード（ＰＤａ）〜（ＰＤｄ）
３４、３４ａ〜３４ｄ、１３４ 転送トランジスタ
３６、１３６ リセットトランジスタ
３８、１３８ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
４２、１４２ 増幅トランジスタ
５１、１５１ 画素線
５３、１５３ 垂直信号線
５５、１５５ 転送ゲート配線
５６、１５６ リセット配線
５７、１５７ ドレイン配線
５８、１５８ 負荷トランジスタ
５９、１５９ 負荷ゲート配線
６０ ＦＤアップトランジスタ
６１ ＦＤアップ配線
６２ バイアス配線
７０ セル

Claims (3)

1. 入射した光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、転送された前記電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを含む行列状に配置された複数の画素部と、前記複数の画素部の列に対応する複数の前記増幅トランジスタに接続された垂直信号線とを備える固体撮像装置であって、
   前記リセットトランジスタによるリセット後でかつ前記転送トランジスタによる転送前に、前記垂直信号線の電圧を所定の電圧に上げる電圧制御回路と、
   前記垂直信号線に接続された各増幅トランジスタの負荷となる、前記垂直信号線に直接接続された負荷トランジスタとを備え、
   前記電圧制御回路は、ソースが電源電圧以上の電圧を有するバイアス配線に接続され、ドレインが前記垂直信号線に接続されている電圧制御トランジスタを含み、
   前記負荷トランジスタが前記垂直信号線から電気的に切り離された状態、かつ、前記電圧制御トランジスタがオンした状態の期間に、転送期間として前記電荷を前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンに転送する
   固体撮像装置。
2. 前記固体撮像装置は、前記フローティングディフュージョンに対して複数個の前記フォトダイオードを備える
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直信号線と前記負荷トランジスタとの間には、前記垂直信号線から出力された信号ノイズを除去するための回路が接続されている
   請求項１または２に記載の固体撮像装置。

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